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1. (WO2019037934) METHOD FOR CONTROLLING A PELTIER ELEMENT
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Verfahren zum Regeln eines Peltierelements

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Peltierelements zum Kühlen einer Fläche gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Ein Peltierelement erzeugt bei einem durchfließenden Strom eine Temperaturdifferenz, die beispielsweise zum Kühlen von Flächen in einem Kraftfahrzeug genutzt werden kann. Die zu kühlende Fläche kann beispielsweise eine Sitzfläche, eine Innentürfläche oder eine Konsolenfläche sein. Die Kühlleistung des Peltierelements kann dabei durch den an dem Peltierelement durchfließenden Strom geregelt werden, wobei der Verlauf der Kühlleistung in Abhängigkeit des durch das Peltierelement durchfließenden Stroms einer umgedrehten Parabel entspricht. Der Scheitelpunkt dieser Parabel entspricht der maximal erreichbaren Kühlleistung des Peltierelements bei dem entsprechenden optimalen Strom. Sobald der Strom weiter erhöht wird, wird die Kühlleistung des Peltierelements reduziert und die überschüssige elektrische Energie geht in die thermische Energie über.

Beim Kühlen einer Fläche wird das Peltierelement üblicherweise bei der maximalen Kühlleistung betrieben, um die Fläche schnell und effizient zu kühlen. Sobald die Fläche gekühlt ist, wird das Peltierelement abgeschaltet. Ein Abschalten und ein Zuschalten des Peltierelements können dabei durch thermische Sensoren geregelt werden, wie beispielsweise in US 4,920,759 beschrieben ist. Hier wird das Peltierelement abhängig von dem Wärmetausch zwischen der zu kühlenden Fläche und einem Fahrzeuginsassen geregelt. Im Wesentlichen ersetzt dadurch das Kühlen der Fläche eine herkömmlich bekannte Kühlanlage.

Ein besonderer Fahrkomfort für einen Fahrzeuginsassen wird jedoch erreicht, wenn die Fläche eine konstante Temperatur aufweist. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist dies jedoch nicht realisierbar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Regeln eines Peltierelements zum Kühlen einer Fläche bereitzustellen, bei dem ein Kühlen einer Fläche auf eine konstante Temperatur ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Verfahren zum Regeln eines Peltierelements eine Fläche auf eine Zieltemperatur zu kühlen und anschließend die erreichte Zieltemperatur zu halten. Dabei wird in einem Startschritt ein Startstrom an das Peltierelement angelegt und nachfolgend wird in einem Kühlungsschritt die mit dem Peltierelement wärmeleitend verbundene Fläche gekühlt. Erfindungsgemäß wird in dem Kühlungsschritt die Fläche zuerst auf die Zieltemperatur gekühlt. Nach dem Kühlungsschritt wird in einem Einstellungsschritt ein Erhaltungsstrom an das Peltierelement angelegt, wobei der Erhaltungsstrom niedriger als der Startstrom ist.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem Kühlungsschritt die Zieltemperatur der Fläche - beispielsweise einer Sitzfläche, einer Innentürfläche oder einer Konsolenfläche eines Kraftfahrzeugs - erreicht. Die Zieltemperatur kann dabei durch eine Steuerungsvorrichtung abhängig von einer Umgebungstemperatur oder einer Innentemperatur in dem Kraftfahrzeug oder manuell durch einen Fahrzeuginsassen vorgegeben werden. Sobald die Zieltemperatur der zu kühlenden Fläche erreicht wird, wird der Kühlungsschritt beendet und in dem Einstellungs- schritt wird der Erhaltungsstrom an das Peltierelement angelegt. Die Zieltemperatur kann dabei beispielsweise durch einen Sensor überwacht werden. Der Erhaltungsstrom ist niedriger als der Startstrom, so dass die Fläche mit einer reduzierten Kühlleistung gekühlt wird. Die Kühlleistung und der Erhaltungsstrom sind dabei derart gewählt, dass vorteilhafterweise die Zieltemperatur der Fläche gehalten wird. Der Kühlungsschritt wird erfindungsgemäß nach dem Startschritt durchgeführt, wobei der Startschritt durch die Steuerungsvorrichtung automatisch - beispielsweise nach einem Starten des Motors - oder manuell durch einen Fahrzeuginsassen initiiert werden kann.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu kühlende Fläche auf die Zieltemperatur gekühlt und der Erhaltungsstrom zum Erhalten der Zieltemperatur der Fläche angelegt, wodurch ein maximaler Fahrkomfort für einen Fahrzeuginsassen erreicht wird. Ferner wird in dem Einstellungsschritt der in Vergleich zu dem Startstrom kleinerer Erhaltungsstrom an das Peltierelement angelegt und die Kühlleistung des Peltierelements reduziert. Auf diese Weise wird auch der Energieverbrauch des Peltierelements reduziert. Zum Durchführen des Verfahrens werden ferner keine herkömmlichen Regler notwendig, die je nach Typ eine zeitliche Trägheit und ein Überschwingungsverhalten bei einer Schnellregelung aufweisen können. Dadurch kann eine zusätzliche elektrische Leistungsaufnahme des Peltierelements durch ein Überschwingungsverhalten des herkömmlichen Reglers vermieden werden und das erfindungsgemäße Verfahren auch schneller durchgeführt werden.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass in dem Startschritt der einer maximalen Kühlleistung des Peltierelements entsprechende Startstrom angelegt wird. Die Kühlleistung P hängt dabei von dem Seebeckkoeffizient SE, von dem ohmschen Widerstand R, von dem Wärmedurchgangskoeffizient KA des Peltierelements,

von dem Strom / und von der Temperaturdifferenz AT an dem Peltierelement ab. Der Zusammenhang kann durch die allgemeine Formel :

P = - - * i2+sE * ΔΤ * I— KA * ΔΤ

beschrieben werden. Bei der maximalen Kühlleistung wird das Peltierelement schnell und effizient auf die Zieltemperatur gebracht, so dass der maximale Fahrkomfort für einen Fahrzeuginsassen bereits nach einer kurzen Kühlungszeit erreicht wird. Dadurch, dass die maximale Kühlleistung nicht von der Temperaturdifferenz an dem Peltierelement abhängt und immer bei dem entsprechenden Startstrom liegt, ist auch kein aufwändiges Nachregeln des Startstroms in dem Kühlungsschritt notwendig. Obwohl in einem Kraftfahrzeug die zu kühlenden Flächen bevorzugt aus weichen elastischen Materialien mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit - wie beispielsweise Stoff, Leder oder Kunststoff - hergestellt werden, kann durch eine geringe Wärmekapazität dieser Materialien die zu kühlende Fläche dennoch schnell und effizient auf die Zieltemperatur gebracht werden.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass nach dem Kühlungsschritt und vor dem Einstellungsschritt in einem Ermittlungsschritt der Erhaltungsstrom ermittelt wird. Bevorzugt wird der Erhaltungsstrom unter Bezugnahme auf eine Umgebungstemperatur und/oder auf eine Temperaturdifferenz in dem Peltierelement und/oder auf die Zieltemperatur und/oder auf physikalische Eigenschaften des Peltierelements und/oder auf aktuelle Betriebsparameter einer Klimaanlage oder auf weitere Parameter ermittelt. Auf diese Weise kann der Erhaltungsstrom ermittelt werden, bei dem die Zieltemperatur der zu kühlenden Fläche konstant gehalten werden kann. Insbesondere kann dadurch ein aufwändiges Nachregeln der Zieltemperatur vermieden und dadurch der Regelungsaufwand reduziert werden.

Vorteilhafterweise kann der Erhaltungsstrom aus einer hinterlegten Wertetabelle übernommen werden. Die Wertetabelle kann dabei Werte des Erhaltungsstroms für unterschiedliche Umgebungstemperaturen, unterschiedliche Temperaturdifferenzen in dem Peltierelement, unterschiedliche Zieltemperaturen, unterschiedliche physikalische Eigenschaften des Peltierelements, unterschiedliche Betriebsparameter einer Klimaanlage sowie weitere Werte enthalten. Abhängig von diesen Parametern kann der entsprechende Wert des Erhaltungsstroms aus der Wertetabelle übernommen und der entsprechende Erhaltungsstrom in dem Einstellungsschritt an das Peltierelement angelegt werden. Alternativ kann der Erhaltungsstrom auch unter Bezugnahme auf die genannten Parameter berechnet werden.

Vorteilhafterweise ist in dem weitergebildeten Verfahren zum Regeln des Peltierelements vorgesehen, dass nach dem Einstellungsschritt ein Erhaltungsschritt durchgeführt wird, wobei in dem Erhaltungsschritt die Zieltemperatur der Fläche konstant gehalten wird.

Zum Halten der Zieltemperatur an der zu kühlenden Fläche kann in dem Erhaltungsschritt der Erhaltungsstrom an dem Peltierelement konstant gehalten werden. In dem Erhaltungsschritt wird das Peltierelement mit einer dem Erhaltungsstrom entsprechenden Erhaltungsleistung betrieben, die niedriger als die maximale Kühlleistung ist. Bei der niedrigeren Erhaltungsleistung reduziert sich auch die Temperaturdifferenz in dem Peltierelement. Gleichzeitig wird durch das Kühlen der Fläche in dem Kühlungsschritt sowie durch weitere Temperierungsanlagen auch die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung und dem Peltierelement reduziert. So kann die Erhaltungsleistung minimiert und der Energiebedarf des Peltierelements vorteilhaft reduziert werden. Insbesondere kann dadurch die Erhaltungsleistung bei der zu kühlenden Fläche aus weichen elastischen Materia- lien mit einer geringer Wärmeleitfähigkeit - wie beispielsweise Stoff, Leder oder Kunststoff - reduziert werden, da die zu kühlende Fläche bereits auf die Zieltemperatur gekühlt wurde und einen geringen Wärmeaustausch mit der auch bereits gekühlten Umgebung aufweist. Die Erhaltungsleistung des Peltierelements und eine Verlustleistung durch einen Wärmetausch des Peltierelements mit der Umgebung können vorteilhafterweise gegeneinander kompensiert werden und das Peltierelement besonders effizient betrieben werden.

Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren das Peltierelement zum Kühlen der Fläche geregelt werden, wobei die Fläche schnell und effizient auf die Zieltemperatur gekühlt und die Zieltemperatur der Fläche erhalten wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Fahrkomfort für einen Fahrzeuginsassen maximiert werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln eines Pel- tierelements;

Fig. 2 Verlauf einer Kühlleistung in Abhängigkeit eines an dem Peltierelement angelegten Stroms in einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 1 zum Regeln eines Peltierelements. Zuerst wird in einem Startschritt 2 ein Startstrom an das Peltierelement angelegt und nachfolgend wird in einem Kühlungsschritt 3 die mit dem Peltierelement wärmeleitend verbundene Fläche auf eine Zieltemperatur gekühlt. Nach dem Kühlungsschritt 3 wird in einem Ermittlungsschritt 4 ein Erhaltungsstrom ermittelt. Dabei können eine Umgebungstemperatur und/oder eine Temperaturdifferenz in dem Peltierelement und/oder die Zieltemperatur und/oder physikalische Eigenschaften des Peltierelements und/oder Betriebsparameter einer Klimaanlage und/oder weitere Parameter berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise kann der Erhaltungsstrom aus einer hinterlegten Wertetabelle übernommen oder berechnet werden. Nach dem Ermittlungsschritt 4 wird in einem Einstellungsschritt 5 der Erhaltungsstrom an das Peltierelement angelegt, wobei der Erhaltungsstrom niedriger als der Startstrom ist. Anschließend wird ein Erhaltungsschritt 6 durchgeführt, in dem die Zieltemperatur der zu kühlenden Fläche konstant gehalten wird.

Fig. 2 zeigt einen Verlauf einer Kühlleistung P in Abhängigkeit eines an dem Peltierelement angelegten Stroms I in dem Verfahren 1 . Die einander parallelen Parabeln geben dabei den Verlauf der Kühlleistung P bei unterschiedlichen in dem Peltierelement aufgebauten Temperaturdifferenzen ΔΤ wieder. Dabei nehmen die Temperaturdifferenzen ΔΤ von der oberen Parabel zu der unteren Parabel zu. In dem Startschritt 2 wird der Startstrom l0 an das Peltierelement angelegt, der einer maximalen Kühlleistung P0 entspricht. An dem Peltierelement wird eine Temperaturdifferenz von Null auf ΔΤ0 aufgebaut. Sobald die Zieltemperatur an der zu kühlenden Fläche erreicht ist, wird der in dem Ermittlungsschritt 4 ermittelte Erhaltungsstrom lE an das Peltierelement angelegt und in dem Erhaltungsschritt 6 konstant gehalten. Während des Erhaltungsschritts 6 baut sich die Temperaturdifferenz ΔΤ0 zu einer Temperaturdifferenz ΔΤΕ ab. In dem Erhaltungsschritt 6 wird die Kühlleistung P0 auf eine Erhaltungsleistung PE minimiert, da die zu kühlende Fläche bereits auf die Zieltemperatur gekühlt wurde und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zudem ist die Umgebung um die zu kühlende Fläche durch das Peltierelement selbst und durch weitere Temperierungsanlagen um das Peltierelement reduziert. Die Erhaltungsleistung PE des Peltierelements und eine Verlustleistung durch einen Wärmetausch des Peltierelements mit der Umgebung werden gegeneinander kompensiert und die Zieltemperatur der zu kühlenden Fläche bei einer minimalen Erhaltungsleistung PE über einen längeren Zeitraum konstant gehalten.

Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren 1 das Peltierelement zum Kühlen der Fläche geregelt werden, wobei die Fläche schnell und effizient auf die Zieltemperatur gekühlt und die Zieltemperatur der Fläche erhalten wird. Auf diese Weise kann der maximale Fahrkomfort für einen Fahrzeuginsassen erreicht werden.